基于LabView的煤矿突水监测系统数据处理系统的设计

范 烨 崔建明

（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）

我国煤炭资源丰富，是世界产煤大国之一，且煤炭一直是我国的主要能源之一。然而，由于我国地质条件十分复杂，采矿过程中突水事故屡屡发生，严重的制约着煤矿的安全生产。因此，设计煤矿突水监测系统是必需且当务之急的。

煤矿突水监测系统主要分为数据采集系统和数据处理系统两部分。本文主要介绍基于LabView 的煤矿突水监测系统的数据分析处理系统。

LabView 是美国国家仪器公司开发的一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。LabView 使用的是图形化编程语言G 编写程序，采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VΙ（虚拟仪器）及函数的执行顺序。

1 系统硬件设计

煤矿突水监测系统主要包括3 个部分，即上位机（地面监测中心：在 Windows 操作系统下装有LabView 软件的主机、网络通信适配器等）、井下监测系统（传感器、数据采集单元、网络通信接口等）、数据传输网络（CAN 总线等）。系统结构如图1所示。

系统通过基于CAN 总线结构的数据传输网络将井下检测系统与上位机互连构成，其中上位机与系统的CAN 总线是使用周立功公司的USBCAN-ІІ 接口设备进行连接的。而突水监测数据采集系统的控制芯片的配置程序则通过JTAG 或AS 接口进行下载。

在整个突水监测系统中，上位机通过数据传输网络向数据采集系统发布相关指令，数据采集系统则将所采集到的数据上传，完成监测数据、曲线的实时显示以及存储、查询、越限报警等任务。

2 系统软件设计

煤矿突水监测系统数据处理分析部分的软件主要有上位机在Windows 下的LabView 软件。系统首先由下位机的数据采集系统将数据采集到，然后经过CAN 总线传送到上位机，再用上位机Windows下的LabView 进行数据处理分析以及显示等。

上位机的开发环境采用Windows 操作系统，在Windows 下安装NΙ LabView 开发模块。LabView 是一种通用的编程系统，它有一个能够完成编程任务的庞大函数库，该函数库包括数据采集、GPΙB、串口控制、数据分析、数据显示、数据存储等。

在本文中，主要运用LabView 开发模块对煤矿突水监测系统进行人机界面的开发，采用虚拟仪器技术，能够使系统的界面形象逼真，且具有良好的可视性和交互性。由LabView 实现上位机的数据存储、分析、查询、图表显示等功能。从而达到对煤矿突水情况的实时状态监测、故障诊断和及时报警。

在LabView 环境下，包括用户的应用程序称为虚拟仪器VΙ 以及人机的交互接口称为前面板。其中VΙ 是LabView 的核心，前面板接受来自方框图的指令。下面就LabView 开发环境下实现的数据分析处理进行详细的介绍。

2.1 密码验证模块

首先是密码验证模块，在前面板的显示为用户登录验证系统的界面，该模块的作用是对进入系统的用户进行安全识别，只有用户在输入正确的用户名和密码后，才可以进入系统，否则拒绝进入。这样可以防止非法的用户进入系统，从而进行非法操作。

图2所示为密码验证模块的框图程序，图3所示为用户登录验证界面的前面板。

2.2 报警模块

接下来是报警系统的模块设计。报警系统的作用是当上位机接收到的由下位机传送上来的数据经过数据处理分析之后发现异常，进行警告以及显示异常情况的系统。当系统诊断出异常状况，在前面板界面就会显示，从而提醒人员进行相应的处理。报警系统能够更加直观的将异常情况显示，对人员 作出警告，整个报警系统的前面板设计简洁、明了、容易识别、美观、大方。是整个突水监测系统上位机软件设计中不可或缺的部分。

图2 密码验证的框图

图3 用户登录验证界面的前面板

图4所示为报警模块的框图程序，图5所示为报警系统的前面板。

图4 报警模块的框图程序

2.3 数据的存储模块

在突水监测系统中，在上位机接收到由下位机传送来的数据后，要将数据存储起来，以便于数据分析处理等操作，而且人员可以随时调阅已存储的数据，这种实时记录的数据也会为研究人员更深入的研究提供极大的帮助，是研究所必须的数据支撑。

数据的存储模块是专门用来将由下位机输送来的信号保存成文件形式。LabView 支持几种不同格式的文件用于输入输出，其中包括文本文件、二进制文件和数据记录文件、电子表格文件等。其中电子表格文件是一种特殊的文本文件，该文件也是以码的格式来存储数据，只是它为了使Microsoft Exsel等电子表格软件能够直接读取数据，采用了例如用制表符来制作标记等特殊的要求。

图5 报警系统的前面板

图6所示为数据存储的框图程序。该框图程序所实现的是将接收到的来自下位机的数据存储起来。图7所示为数据读取的框图程序。该框图程序所实现的是数据的读取，便于人员直接查看，直观、形象、具体。

图6 数据存储的框图

图7 数据读取的框图

2.4 数据的分析处理

突水监测系统的数据分析处理主要是由BP 神经网络模型实现的。在LabView 中采用Matlab Script节点调用Matlab 软件以执行脚本，运用Matlab 提供的专门的神经网络工具箱（NNbox）的平台，进行神经网络的设计和仿真，将下位机所采集的数据进行分析和处理，从而实现突水监测。图8所示为Script 节点。

图8 Script 节点

该数据处理系统与下位机的数据采集系统相结合，就够成了完整的煤矿突水监测系统。首先，在煤层底板或陷落柱水文地质异常区埋设传感器；然后，传感器输出信号通过数据采集系统采集；接下来，上传到地面监测中心，即数据处理系统中进行数据处理分析；最后，实现煤矿突水的远程实时监测和预警。

3 结论

本文采用虚拟仪器的LabView 编程系统以及Matlab 强大的数据处理功能对煤矿的突水状况进行实时监控。提供了很好的人机交互界面，能够进行数据的存取以及及时报警，提醒人员做出相应处理。实验表明，该系统能够完成突水监测系统的数据分析、处理、存取以及报警等任务，而且具有直观、简洁、明了的优点，有很高的应用价值。

[1] 王福明.LabView 程序设计与虚拟仪器[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.

[2] 刘谆.基于FPGA 的煤矿突水监测系统数据采集系统的设计[J].工矿自动化,2011,2:84-87.

[3] 温炳辉.基于LabView 的小波神经网络在煤矿主通风机状态监测中的应用研究[D].西安：西安科技大学学报,2008.

[4] 张丽.基于LabView 实时系统设计与实现的测试系统[J].船电技术,2011,31(7)：21-23.

[5] 阮殿旭.基于LabView 无线传感器网络的煤矿井下监测系统研究[J].矿山机械,2010,38(22)：64-66.

[6] 贾琳瑜.基于BP 网络-突水系数理论的突水预测[J].山西焦煤科技,2010,9:36-39.

[7] 张凯,周陬,郭栋.LabView 虚拟仪器工程设计与开发[M].国防工业出版社,2004.